量子力学允许许多经典上不可能的现象：量子粒子可以同时存在于两种状态的叠加中，或与另一个粒子纠缠，这样对一个粒子的任何操作似乎都会立即影响另一个粒子，无论它们之间的空间有多大。但也许量子理论中最引人注目的就是测量行为。在经典力学中，测量不一定会影响被研究的系统。但对量子系统的测量会深刻影响其行为。例如，当测量一个处于“0”和“1”叠加状态的量子信息位（称为量子比特）时，其状态将突然坍缩为两个经典允许状态之一：要么是“0”，要么是“1”，但不会同时是两者。从量子世界到经典世界的这种转变似乎是由测量行为促成的。它究竟如何发生是物理学中尚未解答的基本问题之一。
在一个由许多量子比特组成的大型系统中，测量的影响可能会导致量子信息的新阶段出现。与温度和压力等参数的变化会导致水从液体变为固体的相变类似，调整测量强度可以引起量子比特纠缠中的相变。
今天，在《自然》杂志发表的《噪声量子处理器上的测量诱导纠缠和隐形传态》一文中，我们描述了在Sycamore 量子处理器上对 70 个量子比特系统进行的测量诱导效应的实验观察。这是迄今为止观察到此类相变的最大系统。此外，我们还检测到了“量子隐形传态”——当量子态从一组量子比特转移到另一组量子比特时，即使该状态的细节未知，也可以检测到——这是从随机电路的测量中得出的。我们通过实施一些巧妙的“技巧”实现了这一突破，以便更容易地看到系统中测量诱导效应的特征。
背景：测量引起的纠缠
设想一个量子比特系统，它们一开始是独立的，彼此之间没有纠缠。如果它们相互作用，就会产生纠缠。你可以把它想象成一张网，其中的线代表量子比特之间的纠缠。随着时间的推移，这张网变得越来越大、越来越复杂，将越来越分散的点连接在一起。
对系统进行全面测量会完全摧毁这个网络，因为测量时每个纠缠的量子比特叠加都会崩溃。但是，如果我们只对几个量子比特进行测量会发生什么？或者如果我们在两次测量之间等待很长时间？在此期间，纠缠会继续增长。网络的链可能不会像以前那样延伸，但网络中仍然存在模式。
相互作用和测量的强度之间存在一个平衡点，它们相互竞争，影响着网络的复杂性。当相互作用强而测量弱时，纠缠保持稳健，网络的链延伸得更远，但当测量开始占主导地位时，纠缠网络就会被破坏。我们将这两个极端之间的交叉称为测量诱导相变。
在我们的量子处理器中，我们通过改变相互作用和测量之间的相对强度来观察这种测量引起的相变。我们通过对量子比特对执行纠缠操作来诱导相互作用。但在实验中真正看到这种纠缠网络是非常困难的。首先，我们永远无法真正看到连接量子比特的线——我们只能通过观察量子比特测量结果之间的统计相关性来推断它们的存在。因此，我们需要多次重复相同的实验来推断网络的模式。但还有另一个复杂因素：每个可能的测量结果的网络模式都不同。简单地将所有实验平均在一起而不考虑它们的测量结果会冲淡网络的模式。为了解决这个问题，一些先前的实验使用了“后选择”，其中只使用具有特定测量结果的数据，其余数据被丢弃。然而，这会导致您可以获取的“可用”数据量呈指数衰减瓶颈。此外，还存在与超导量子比特中电路测量困难以及系统中存在噪声有关的实际挑战。
我们是如何做到的
为了应对这些挑战，我们在实验中引入了三个新技巧，使我们能够观察多达 70 个量子比特的系统中测量引起的动态。
技巧一：空间和时间可以互换
尽管这看起来似乎违反直觉，但交换空间和时间的角色可以大大减少实验的技术挑战。在进行这种“时空二元性”变换之前，我们必须将测量与其他纠缠操作交错进行，频繁检查选定量子位的状态。相反，在变换之后，我们可以将所有测量推迟到所有其他操作之后，这大大简化了实验。正如这里所实现的，这种变换将我们感兴趣的原始 1 维空间电路变成了 2 维电路。此外，由于所有测量现在都在电路的末端，因此可以通过改变电路中执行的纠缠操作数量来调整测量和纠缠相互作用的相对强度。
交换空间和时间。为了避免将测量交错到我们的实验中（在 左侧 面板中显示为仪表），我们利用时空二元映射来交换空间和时间的角色。此映射将一维电路（左）转换为二维电路（右），其中电路深度（T）现在调整有效测量率。
技巧 2：克服选择后瓶颈
由于所有量子比特的每种测量结果组合都会产生独特的纠缠网络模式，因此研究人员经常使用后选择来检查特定网络的细节。但是，由于这种方法效率很低，我们开发了一种新的“解码”协议，将真实纠缠“网络”的每个实例与经典模拟中的相同实例进行比较。这避免了后选择，并且对所有网络的共同特征都很敏感。这个共同特征表现为经典量子“序参数”的组合，类似于我们在超经典演示中使用的随机电路采样中使用的交叉熵基准。
这个序参量的计算方法是，选择系统中的一个量子比特作为“探测”量子比特，对其进行测量，然后使用附近量子比特的测量记录以经典方式“解码”探测量子比特的状态。通过将测量到的探测状态与这个“解码”的预测进行互相关，我们可以获得探测量子比特与其余（未测量）量子比特之间的纠缠。这充当序参量，是确定整个网络纠缠特征的代理。
在解码过程中，我们选择一个“探测”量子比特（粉色），并根据周围量子比特（黄色）的测量记录，以经典方式计算其预期值。然后，通过测量的探测比特和经典计算值之间的互相关计算出序参数。
技巧 3：利用噪音
所谓“解缠阶段”的一个关键特征是它对噪声不敏感，在这个阶段，测量占主导地位，纠缠不太普遍。因此，我们可以观察探测量子比特如何受到系统中噪声的影响，并利用这一点来区分这两个阶段。在解缠阶段，探测器只对探测器附近特定区域内发生的局部噪声敏感。另一方面，在纠缠阶段，系统中的任何噪声都会影响探测量子比特。通过这种方式，我们将实验中通常被视为麻烦的东西变成了系统的独特探测器。
我们看到的
我们首先研究了两个阶段中噪声对序参量的影响。由于每个量子比特都是有噪声的，因此向系统添加更多量子比特会增加更多噪声。值得注意的是，我们确实发现在解缠阶段，序参量不受向系统添加更多量子比特的影响。这是因为，在这个阶段，网的链非常短，因此探测量子比特只对其最近的量子比特的噪声敏感。相反，我们发现在纠缠阶段，纠缠网的链拉伸得更长，序参量对系统的大小非常敏感，或者说，对系统中的噪声量非常敏感。这两种截然不同的行为之间的转变表明，随着测量“强度”的增加，系统的纠缠特性发生了转变。
不同量子比特数的序参量与门密度（纠缠操作数）的关系。当纠缠操作数较低时，测量在限制整个系统的纠缠方面发挥更大的作用。当纠缠操作数较高时，纠缠会广泛存在，这导致序参量依赖于系统大小（插图）。
在我们的实验中，我们还展示了一种在纠缠阶段出现的新型量子隐形传态。通常，实现量子隐形传态需要一组特定的操作，但在这里，隐形传态源自非幺正动力学的随机性。当测量除探测器和另一个遥远的量子比特系统之外的所有量子比特时，其余两个系统会相互强烈纠缠。如果没有测量，这两个量子比特系统彼此相距太远，无法知道彼此的存在。然而，通过测量，纠缠可以比通常由局部性和因果关系施加的限制更快地产生。量子比特之间的这种“测量诱导纠缠”（也必须借助经典通信信道）是量子隐形传态得以发生的原因。
当测量所有其他量子比特时，两个相距很远的子系统（粉色和黑色量子比特）的代理熵与门密度的关系。在 ~0.9 处有一个有限大小的交叉点。高于此门密度时，探测量子比特与系统另一侧的量子比特纠缠在一起，这是传送阶段的标志。
结论
我们的实验证明了测量对量子电路的影响。我们表明，通过调整测量强度，我们可以在系统内诱导量子纠缠的新阶段转变，甚至产生一种新兴的量子隐形传态。这项工作可能与量子计算方案相关，其中纠缠和测量都发挥作用。
致谢
这项工作是在 Jesse Hoke 从斯坦福大学转学到 Google 实习期间完成的。我们要感谢我们的量子科学传播者 Katie McCormick 帮助撰写这篇博文。
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